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AMELIORATIONS DANS LES METHODES DE PRODUCTION D'ACIER DOUX EN GRANULES POUR REMPLACER PRINCIPALEMENT LES MITRAILLES DE FONTE ORDINAIRE A BASSE TENEUR DE CARBONE DANS LA FABRICATION D'ACIER AU FOUR MARTIN OU ELECTRIQUE
L'invention a pour but :
1) De prévoir une méthode peu coûteuse et rationnelle de décarburation du fer ou autres métaux ou alliages contenant plus ou moins de carbone. 2) Une méthode de déoarburation suivant le diagramme d'équilibre de Fe-C-0 pendant la chauffe du fer à certaines températures, dans une atmosphère de composition donnée. 3) Une méthode de déoarburation du fer et autres métaux à une température en dessous du point de fusion et cela pratiquement sans oxydation du métal. 4) Une méthode adaptée à la production de granules de fer contenant 0,05 % et moins de carbone. 5) Une méthode de déoarburation de fonte en chauffant des granules dans une atmosphère spéciale en n'apportant aucune autre chaleur que celle produite par une combustion appropriée du carbone dans le fer à décarburer.
6) Un procédé pratiquement continu et plus ou moins automatique de décarbura- tion de fonte et autres métaux contenant du carbone.
Les buts de l'invention et les moyens d'obtenir les résultats désirés sont décrits ci-après !
La méthode utilisée pour décarburer la fonte, par exemple, sans fusion afin de produire des objets en fonte malléable, consiste à placer les pièces de fonte dans des boites ou chambres avec certaines matières oxydantes, telles que des hématites, et de chauffer le tout pendant une semaine environ en élevant graduellement la température à 900 ou 1000 . Cette vieille méthode n'est cependant pas applicable quand il s'agit de déoarburer rapidement fonte ou autres métaux finement divisés, parce que le temps de recuit est : absolument trop long à cause de la faible conductibilité de la charge, et de plus, le procédé est discontinu, trop coûteux, encombrant et peu pratique.
Enfin il est Impossible de décarburer suffisamment pour beaucoup d'opérations Importantes demandant un minimum de carbone dans le produit
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désiré.
Pour rendre le procédé économique et constituer un progrès dans la méthode ordinaire de fabrication de l'aoier, il est nécessaire que la chaleur @ requise soit appliquée sans permettre des Inégalités de température dans la charge et que de plus la main d'oeuvre soit diminuée et le procédé assez continu pour réduire appréclablement le prix de revient de l'opération.
Pour remplir ces conditions il a été trouvé nécessaire de tenir la charge de granules constamment en mouvement par un procédé quelconque pendant le chauffage. L'élimination rapide du carbone demande, d'après essais pratiques, que la température soit maintenue aussi haute que possible, par exemple entre 900 et 1200'. Maisil est difficile à cette température d'empê- cher que le mélange des granules aveo des oxydants tels que du minerai de fer concentré ne se scorifie en grosses masses et n'adhère aux parois du four ou des boites, rendant ainsi Impossible la continuité de l'alimentation de la charge.
D'après la présente invention, le fer ou autres métaux contenant du carbone ne sont pas décarburés par des matières solides oxydantes mélangées à la charge, mais par de l'oxygène libre ou combiné introduit dans le four de décarburation. Cela dispense de la nécessité de mélanger les granules avec d'autres substances plus aisément scorifiables et la température peut être maintenue plus élevée sans troubles sérieux.
Un autre avantage réside dans le fait que les granules de fer par exemple, ne contiennent aucune matière oxydante et sont exempts d'autres impuretés introduites avec le minerai de fer, si celui-ci a été utilisé comme déoarburant. Un produit métallique parfaitement pur peut donc être obtenu par cette invention, Mais les gaz oxydants doivent être admis de telle façon que le carbone soit éliminé sans oxydation simultanée du fer. Si la surface des granules est sérieusement oxydée, ils s'aggloméreront en formant des masses scorifiées. Un produit beaucoup plus pauvre sera ainsi obtenu.
L'oxygène libre ne doit donc pas être en contact direct avec les granules mais doit être d'abord transformé en dioxyde de carbone. La réaction suivant laquelle la décarburation des granules doit avoir lieu est donnée par l'équation 0 C02 @ 2 00. Mais en réalité l'acide carbonique même agit sérieusement comme oxydant sur le fer à moins que le gaz ne contienne en môme temps une quantité considérable de monoxyde. Afin qu'un gaz formé de monoxyde et de dioxyde de carbone déoarbure de la fonte ordinaire par
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exemple, il faut que la proportion de dioxyde soit moindre que 25% à 1000 .
Si le gaz dans le four est mélangé à d'autres gaz tels que l'azote, l'hydro- gène ou la vapeur d'eau, la proportion doit être encore moindre. Coma la déoarburation est endothermique il faut apporter de la chaleur à la charge.
Mais il a été trouvé possible de rendre le procédé exothermique en apportant de l'oxygène libre, par exemple en admettant de l'air dans le tour. Mais cet oxygène doit être introduit de telle façon qu'il soit mélangé au monoxyde produit par le carbone dans le fer et qu'il soit ainsi complètement changé en 002 avant qu'il ait opportunité d'attaquer le fer. La réaction résultante sera ainsi pratiquement 0 + 02 @ 002.
La production de chaleur, dans ce cas, est suffisante pour l'utilisation technique du procédé si les pertes de calories peuvent être assez réduites par un calorifugeage soigné et autres précautions.
Si, au contraire, l'oxydation s'opère par du minerai de fer qui doit être réduit en même temps, le procédé sera toujours endothermique, demandant un apport extérieur relativement grand de calories, ce qui est une des raisons pour lesquelles la décarburation ainsi conçue est plutôt difficile.
Normalement le gaz de réaotion doit être brûlé complètement en 002 avant de quitter le four dans lequel le fer est décarburé.
Si toutefois la chaleur produite est insuffisante pour chauffer et déoar- burer le fer, on peut l'augmenter par apport de combustibles appropriés tels que du charbon pulvérisé, de l'huile ou un gaz. Le gaz de haut-fourneau peut être utilisé avantageusement. Il est aussi possible de prévoir de la chaleur électrique comme complément. Dans ce cas, elle doit être apportée d'abord dans la zone des réaotions finales où il est très difficile de maintenir la température requise par oombustion du gaz de réaotion sans trop oxyder l'atmosphère du four.
Un apport supplémentaire de calories est requis, spécialement quand il s'agit de décarburer, par exemple, de la mitraille ordinaire contenant 0,25 % de carbone, pour atteindre des teneurs encore plus basses, ce qui laisse trop peu de carbone pour produire la chaleur nécessaire même dans les conditions les plus favorables.
Pour accélérer la réaction, il peut être indiqué d'apporter de l'hydrogène au four, soit libre ou sous forme de vapeur.
On peut employer divers types de four pour ce procédé. Par exemple un four du type à griller les pyrites, dans lequel la charge voyage en sens
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opposé à l'arrivée des gaz chauds composés de CO & c02.
Mais cool peut être résolu de simple façon dans un four horizontal ou légère- ment incline du type rotatif comme employé dans la cuisson du ciment, mais modifié en conséquence. On a trouvé qu'il est possible de décarburer le fer à des températures au-dessus de 1000. dans pareil four, sans tendance pour les granules de s'agglomérer, même à 1200* environ. Ceci à condition que les granules soient lisses, ronds et pas oxydés,
Une alimentation continue de la charge dans un four rotatif est facile- ment réalisée et la rotation produit un brassage efficace et désirable des granules, assurant une uniformité raisonnable de température, sans surchauffe même si la charge n'est chauffée que par les gaz de réaotion au-dessus d'elle.
Le dessin annexé montre Fig.l une section longitudinale d'un four tubu- laire rotatif, dans lequel la chaleur est produite par les gaz de réaction et éventuellement par un autre combustible tel que du gaz de haut-fourneau admis de l'extérieur. La Fig.ll donne une section transversale suivant A-A de la Fig.l, et la Fig.lll une section transversale suivant B-B de la Fig.l.
La charge est Introduite par l'ouverture 1 et voyage le long du four qui tourne assez vite pour assurer un mélange efficace de la charge dont la sur- face oblique est exposée à l'action immédiate de l'atmosphère chaude et décarburante tel qu'indiqué Fig.ll.
Avant que les granules ne sortent du coté opposé du four rotatif, ils devront passer par un réservoir spécial 2 d'un type bien connu et conçu pour laisser passer les granules, mais non les gaz, sur le bec de l'ouverture centrale de sortie, à la même vitesse qu'ils entrent dans le four. Par un refroidissement du regard 2 la température des granules peut être abaissée suffisamment pour empêcher toute oxydation de la surface de ceux-ci, si désiré.
L'air requis par le procédé est introduit par un tuyau 3 et les gaz du four voyageant en direction opposée quittent le four par l'ouverture 1.
Il a été trouvé assez difficile de transmettre efficacement la chaleur des gaz, dans le four, sans l'allonger sensiblement. Afin d'améliorer la transmission de chaleur à la charge, on peut prévoir avantageusement une série de chicanes 4 distribuées en travers du four, de préférence du coté de l'entrée Les chicanes peuvent avoir des ouvertures 5, permettant aux gaz de passer le long du four en changeant de direction pendant leur trajet. Cet arrangement provoquera une transmission notable de calories dans les chicanes qui, par
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la rotation du four, céderont la chaleur emmagasinée à la charge.
Le brassage de la charge par la rotation favorise la distribution uniforme de la tempé- rature, mais il peut aussi créer un mélange en longueur car les granules déjà décarburés peuvent faire marche arrière vers l'entrée pendant que d'autres granules peuvent quitter le four avant d'être suffisamment décarburés.
La capacité du four et son rendement peuvent être ainsi un peu diminués.
Pour amoindrir la difficulté, il peut être utile de prévoir une série de chicanes 6, aussi dans la zone de réaction. Ces chicanes sont pourvues d' ouvertures destinées à contrôler le mouvement de la charge pour empêcher le mélange dans le sens longitudinal, comme expliqué plus haut.
L'air de combustion est introduit par les ouvertures 7 sur le tuyau 3 et celles-ci sont arrangées en nombre et position pour prévenir un trop grand afflux d'oxygène qui pourrait oxyder les granules en certains endroits.
Si un combustible additionnel, gazeux ou autre, est requis, il peut être introduit par exemple, par le tuyau 8 à la sortie du four ou par un tube parallèle ou intérieur au tuyau 3.
La dimension des granules est d'importance considérable pour le rende- ment du procédé. La rapidité de décarburation grandit très vite quand le volume des granules diminue. On a trouvé qu'un grain de dimension appropriée s'obtient par un refroidissement rapide, au moyen d'eau par exemple à la sortie du haut-fourneau ou four électrique de réduction dans lequel la fonte a été fondue. Il est désirable que les granules puissent passer un tamis à mailles de 5 millimètres.
Bien que la décarburation du fer, dans ce procédé, soit réalisée prin- cipalement par du gaz oxygène, il n'est pas exclu qu'une oxydation simultanée soit opérée par de l'oxygène solide sous forme d'oxyde de fer par exemple.
Il peut même être avantageux d'ajouter une certaine quantité de minerai de fer concentré aux granules à décarburer, bien que la quantité doive être minime pour que l'oxyde soit réduit rapidement et n'entrave pas le procédé principal qui est caractérisé par le fait que l'oxygène est admis à l'état gazeux, par exemple avec l'air.
Le procédé n'est pas limité à la décarburation de la fonte, il peut être utilisé avantageusement à la décarburation de toute autre espèce de fer à basse teneur de carbone et finement divisé tel que les granules d'acier, copeaux, fer spongieux et similaire. Il est cependant important et avantageux que la décarburation suivant cette méthode soit effectuée, non seulement très
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rapidement mais aussi jusqu'à la teneur la plus basse de carbone qui est beaucoup inférieure à celle obtenue à ce jour par les procédés industriels connus.
Il a été constaté qu'en chauffant les granules à 1200 dans une atmos- phère de CO et C02 en proportion telle que le carbone seul soit oxydé et non le fer, une décarburation en dessous de 0,01 % est possible. Si le mélange gazeux est dilué avec de l'hydrogène ou de l'azote, ou tous deux, ou bien si un vide est maintenu dans le four, une teneur encore plus réduite de carbone est possible théoriquement. Une augmentation de température à 1200* facilite la décarburation, mais une température supérieure ne semble pas spécialement désirable.